专利名称：基于s曲线加减速控制的多周期拐角小直线段插补方法
技术领域：
本发明涉及一种数控系统基于S曲线加减速控制的多周期拐角小直线段插补方法，属于数控机床的数字控制加工技术领域。
背景技术：
数控机床在加工复杂曲面时，通常是在设定的加工精度范围内，把被加工曲面离散为大量的空间小直线段。这样，在小直线段的加工过程中，尤其是在拐角处，数控机床的加工方向要频繁改变，造成机床也频繁起停，限制了加工速度，同时容易产生振动，从而影响到被加工曲面的加工精度和表面光洁度。另外，如果采用直线加减速的控制方式进行数控加工时，由于存在加速度的突变，容易引起机床振动。目前，为了提高小直线段数控加工的效率，主要采用下述几种方法第一种是传统的小直线段插补方法，即每个待插补小直线段的起点和终点的速度均是零。第二种是在小直线段的拐角处采用等速率过渡插补方法，即待插补小线段的起点和终点的速度不为零，而是根据机床各个驱动轴的加速度限制来确定其拐角的过渡速度，且拐角前速度和拐角后速度的大小相等，在拐角处采用一个插补周期进行过渡。第三种是拐角圆弧过渡方法，即拐角处插入圆弧的过渡方法。这三种方法对于提高拐角处的通过速度都还有进一步提高的余地。目前，数控系统采用的加减速控制加工工艺的方式有三种直线加减速方式，S曲线加减速方式和指数加减速方式。其中，直线加减速方式中的加速度的改变存在不连续点，指数加减速方式在高速加工时的工作稳定性不如S曲线加减速方式。所以，S曲线加减速方式因其性能相对更优良而受到重视，并且，其主要应用于曲线插补中。但是，由于在S曲线插补中的曲线加减速计算的复杂度高，所以迄今为止，在工程实际中仍然很少获得应用。申请人:的中国专利《数控系统基于多周期最优拐角的小直线段插补方法》(专利号ZL200910083950.4)，介绍了在三轴数控加工时，在拐角处采用多周期过渡、并利用直线加减速方式对小直线段进行插补的方法，以便充分利用机床各驱动轴的加速度，提高拐角的加工速度，并采用基于直线加减速方式的前瞻算法，提高整体的加工效率。但是，这种基于直线加减速方式的插补方法的缺陷是存在加速度变化不连续的地方，容易引起机床振动，降低加工表面质量。拐角处以及其与直线段的衔接处都采用离散方法进行计算，同时拐角过渡时间以正整数个插补周期数的递减方式进行调整，都因计算复杂而降低计算效率。在前瞻处理中的回溯处理也会延长计算时间，再者，该专利技术的应用范围只限制在三轴数控机床。因此，为了能够进一步提高和改进基于多周期最优拐角的小直线段插补方法，申请人又继续对此课题进行研究、探讨和实施试验。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种数控系统基于S曲线加减速控制的多周期拐角小直线段插补方法，本发明充分利用数控机床各驱动轴的最大加加速能力，对于拐角处速度方向的改变采用多个插补周期进行过渡，以提高拐角处的加工速度；同时对拐角和直线段均进行基于S曲线加减速方式的插补，从而在加工过程中实现了加速度的连续变化，还降低了机床振动和提高了加工质量；而且，本发明方法的计算速度快，工作性能稳定、可靠，能满足实时加工要求。再者，本发明方法的实用性强，能够适用于多种不同型号的三轴、四轴或五轴数控机床。为了达到上述目的，本发明提供了一种数控系统基于S曲线加减速方式的多周期拐角小直线段插补方法，其特征在于，所述方法包括下列操作步骤(I)基于机床最大加工速度、多周期拐角的过渡轨迹与实际拐角的加工几何误差和拐角距离的限制，根据加工路径上拐角处的几何参数、数控机床各个驱动轴的最大加加速度，以及实现“拐角前速度和拐角后速度之和最大”的优化目标，在直线段和拐角衔接处的加速度为零的条件下，确定加工路径上的每个拐角多周期过渡的最优拐角插补参数；(2)进行前瞻处理对每个拐角的最优拐角插补参数进行调整，使每个小直线段的两端速度满足反向加速的可达性；(3)调整被插补直线段的最优拐角插补参数，使小直线段两端速度满足正向加速可达性，根据最终的最优拐角插补参数、小直线段的长度、机床各驱动轴的最大加工速度、最大加速度和最大加加速度的限制，采用S曲线加减速方式计算每个直线段的各个加减速阶段的运动时间，并对加工路径的每个小直线段分别进行直线段和拐角的插补，实时顺序地输出插补点序列，驱动数控机床执行加工操作。所述最优拐角插补参数是拐角多周期过渡时的下述六个加工参数拐角过渡时间是改变拐角速度方向所用的时间t;拐角前速度V1是在拐角处插补开始时的加工速度；拐角后速度％是在拐角处插补结束时的加工速度；拐角开始距离是拐角插补的开始位置与拐角的距离，拐角结束距离是拐角插补的结束位置与拐角的距离，拐角过渡加加速度J是在拐角前速度V1过渡到拐角后速度V2期间数控机床各驱动轴加加速度的矢量和。所述反向加速的可达性是判断小直线段的终点速度是否能够以设定的加速方式达到其起点速度若其终点速度小于起点速度时，则在该小直线段的实际插补长度范围内，使其终点速度能够以S曲线加减速方式加速达到起点速度，若其终点速度大于起点速度，则自动满足反向加速可达性，无需判断；所述正向加速的可达性是判断小直线段的起点速 度是否能够以设定的加速方式达到其终点速度若其起点速度小于终点速度时，则在该小直线段的实际插补长度范围内，使其起点速度能够以S曲线加减速方式加速达到终点速度，若其起点速度大于终点速度，则自动满足正向加速可达性，无需判断。所述步骤(I)包括下列操作内容(11)根据数控机床各驱动轴的最大加加速度、加工路径拐角处的几何参数和实现“拐角前速度和拐角后速度之和最大”的优化目标，在直线段和拐角衔接处的加速度为零的条件下，确定拐角过渡加加速度J ;(12)根据加工几何误差eb和拐角过渡加加速度J确定拐角过渡时间t的上限
I Agc
t = ;再根据该拐角的拐角过渡加加速度J和拐角过渡时间t的上限分别计算其拐角速度和拐角距离，其中拐角速度包括拐角前速度V1和拐角后速度V2.......^yt2，
权利要求
1.一种数控系统基于S曲线加减速方式的多周期拐角小直线段插补方法，其特征在于，所述方法包括下列操作步骤 (1)基于机床最大加工速度、多周期拐角的过渡轨迹与实际拐角的加工几何误差和拐角距离的限制，根据加工路径上拐角处的几何参数、数控机床各个驱动轴的最大加加速度，以及实现“拐角前速度和拐角后速度之和最大”的优化目标，在直线段和拐角衔接处的加速度为零的条件下，确定加工路径上的每个拐角多周期过渡的最优拐角插补参数； (2)进行前瞻处理对每个拐角的最优拐角插补参数进行调整，使每个小直线段的两端速度满足反向加速的可达性； (3)调整被插补直线段的最优拐角插补参数，使小直线段两端速度满足正向加速可达性，根据最终的最优拐角插补参数、小直线段的长度、机床各驱动轴的最大加工速度、最大加速度和最大加加速度的限制，采用S曲线加减速方式计算每个直线段的各个加减速阶段的运动时间，并对加工路径的每个小直线段分别进行直线段和拐角的插补，实时顺序地输出插补点序列，驱动数控机床执行加工操作。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述最优拐角插补参数是拐角多周期过渡时的下述六个加工参数拐角过渡时间是改变拐角速度方向所用的时间t ;拐角前速度V1是在拐角处插补开始时的加工速度；拐角后速度V2是在拐角处插补结束时的加工速度；拐角开始距离是拐角插补的开始位置与拐角的距离，拐角结束距离是拐角插补的结束位置与拐角的距离，拐角过渡加加速度J是在拐角前速度V1过渡到拐角后速度V2期间数控机床各驱动轴加加速度的矢量和。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述反向加速的可达性是判断小直线段的终点速度是否能够以设定的加速方式达到其起点速度若其终点速度小于起点速度时，则在该小直线段的实际插补长度范围内，使其终点速度能够以S曲线加减速方式加速达到起点速度，若其终点速度大于起点速度，则自动满足反向加速可达性，无需判断；所述正向加速的可达性是判断小直线段的起点速度是否能够以设定的加速方式达到其终点速度若其起点速度小于终点速度时，则在该小直线段的实际插补长度范围内，使其起点速度能够以S曲线加减速方式加速达到终点速度，若其起点速度大于终点速度，则自动满足正向加速可达性，无需判断。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(I)包括下列操作内容 (11)根据数控机床各驱动轴的最大加加速度、加工路径拐角处的几何参数和实现“拐角前速度和拐角后速度之和最大”的优化目标，在直线段和拐角衔接处的加速度为零的条件下，确定拐角过渡加加速度J ; (12)根据加工几何误差eb和拐角过渡加加速度J确定拐角过渡时间t的上限
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述步骤(11)包括下列操作内容 (111)读取GOl代码，先初步确定拐角多周期过渡时，该拐角过渡加加速度的取值范围，即由该拐角的拐角前速度方向矢量ei和拐角后速度方向矢量e2所在的平面，以及以该拐角为中心、并由数控机床五个驱动轴的最大加加速度值=Jx e [-Jxm, Jj，Jy e [-Jym, JymI，Jz e [_Jzm, Jzm]，Ja e ["Jam. Jzm]. Jc ^ [_Jcm JoJ为五维尺寸而确定的十面体相交所得到的加加速度多边形，其中，Jxm、Jym、Jzm、JamUcm分别表示该数控机床五个驱动轴的最大加加速度； (112)根据拐角速度大于零和拐角与直线段衔接处的加速度为零的条件，确定该拐角过渡加加速度的实际取值范围是由该拐角相邻两直线段构成的小于180度角的扇形与该拐角加加速度多边形的相交区域；(113)确定该拐角过渡加加速度将该拐角过渡加加速度实际取值范围中，除去拐角加加速度多边形中心点以外的其他各个顶点所对应的加加速度值分别代入优化函数f = v{+v2 =y.T2，式中，T是插补周期，再选取其中f数值最大的点所对应的 4(e2 Xel)加加速度为该拐角过渡加加速度J。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(2)包括下列操作内容 (21)根据数控系统的配置，将加工路径上顺序连续的每m个小直线段作为I个队列准备进行前瞻处理，该m数值大小应满足数控机床的实时加工要求，且设置开机的第I个队列队首小直线段的起始速度为零，每个队列队尾的小直线段的终止速度都为零，且该小直线段终点对应拐角的其他最优拐角插补参数也都为零； (22)执行前瞻处理对m个小直线段从队尾开始，逆序向前判断每个小直线段两端速度是否满足反向加速可达性，如果是，则执行后续步骤(23);否则，降低小直线段的起始速度，使之满足反向加速可达性的判断条件后，继续判断逆序向前的第一个小直线段是否位于队首，若否，则判断其两端速度是否满足反向加速可达性，并执行相应操作；若是，则结束前瞻处理，跳转执行步骤(24)； (23)判断是否为开机的第一次前瞻处理，如果是，则继续逆序向前判断每个小直线段两端速度的反向加速可达性，直到判断执行到队首的小直线段时，才结束前瞻处理；如果否，则提前结束前瞻处理；继续执行后续步骤(24)； (24)删除该队首的小直线段，同时读入下一条小直线段，并将其移到队尾和返回执行步骤(22) (23)； (25)顺序执行步骤(21) (25)，直到所有的待插补直线段均被进行前瞻处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤(22)判断反向加速可达性的操作包括下列内容 (221)计算每个小直线段的实际插补长度该小直线段的长度Li分别减去其起点和终点处因拐角插补所占用的拐角后距离EPp1和拐角前距离SPi的差，即第i个小直线段的实际插补长度 Lia=Li-EPp1-SPi ； (222)按照公式
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(3)包括下列操作内容 (31)每当I个队列的前瞻处理结束后，读取队首的待插补小直线段，判断该直线段两端速度是否满足正向加速可达性，如果否，则先降低其终点速度使之满足正向加速可达性，并调整对应拐角的最优拐角插补参数，再继续执行后续步骤(32);如果是，直接执行后续步骤(32)； (32)依据最终的最优拐角插补参数，先进行直线段的插补，确定该直线段上的插补点序列该插补点序列的起点是该直线段起点拐角处插补的最后一个插补点；根据直线段两端的速度，即前述步骤已经调整好的该小直线段的起点拐角处的拐角后速度和终点拐角处的拐角前速度，先计算在该直线段上插补时以S曲线加减速方式运动时所能达到的最大速度乂_，且该卩_数值应不大于最大加工速度；再计算该直线段上的包括加加速、匀加速、减加速、匀速、减减速、匀减速和加减速的各个阶段的插补时间，最后，根据该直线段的起始速度和相应加减速方式下的时间进行该直线段的插补，得到该直线段的插补点序列； (33)在拐角处插补，确定该拐角处插补的插补点序列先根据该拐角的拐角插补的开始位置、拐角前速度、该拐角过渡加加速度和相应的加减速方式，确定该拐角处的插补点序列；且在实际插补时，当对拐角前所在小直线段插补时最后留存的插补时间小于一个插补周期时，则最后一个插补周期的移动距离是留存插补时间内直线段上的插补距离与一个插补周期减去留存插补时间内拐角处的插补距离之和，并将得到的插补点作为拐角插补的真正开始位置； (34)对每个待插补的小直线段重复执行步骤(31) (33)的操作，直到完成全部小直线段的插补； (35)根据步骤(34)得到的全部小直线段的顺序的插补点序列，驱动数控机床执行实际加工操作。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述步骤(32)进一步包括下列操作内容 (32A)计算S曲线加减速方式下各个小直线段的插补时间时，先计算在小直线段实际插补长度范围内是否能够达到最大加工速度Vm，如果否，则直接执行后续步骤(32B);如果是，再判断是否能够达到最大加速度，并计算各个加减速阶段的插补时间； (32B)采用二分法计算在小直线段长度范围内能够达到的最大速度V·，二分区间是[max (Vs, V丄Vm]，其中Vs，Ve分别是小直线段的起始速度和终止速度；再判断是否能够达到最大加速度，并计算各个加减速阶段的插补时间。
全文摘要
一种数控系统基于S曲线加减速方式的多周期最优拐角的小直线段插补方法先基于机床加工精度和各驱动轴最大加工速度的限制，根据加工路径上每个拐角几何参数、各驱动轴的最大加加速度和优化目标，设置拐角和直线段衔接处的加速度为零，确定和调整每个拐角多周期过渡的最优拐角插补参数，使每个小直线段的两端加工速度满足S曲线加减速控制方式的可达性要求。再根据S曲线加减速方式计算每个直线段的各加减速阶段的时间，并对每个小直线段分别进行直线段和拐角的插补，实时顺序输出插补点序列，驱动数控机床执行加工操作。本发明降低机床振动，提高工件表面质量，计算速度快，能满足实时加工需求，适用于多种不同型号的三轴、四轴或五轴数控机床。
文档编号G05B19/41GK102722140SQ201210211398
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者孙瑞勇, 张立先, 李洪波, 高小山 申请人:中国科学院数学与系统科学研究院